1、長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）姓姓 名名 李李 蔚蔚 學(xué)學(xué) 號(hào)號(hào) 1009221210092212 題題 目目 基于基于 PLCPLC 的鍋爐溫度控制系統(tǒng)的鍋爐溫度控制系統(tǒng) 系系 別別 自動(dòng)化系自動(dòng)化系 專專 業(yè)業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化電氣工程及其自動(dòng)化 班班 級(jí)級(jí) 100922100922 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 李李 晶晶 完成日期完成日期 20142014 年年 3 3 月月* *日日 摘摘 要要從上世紀(jì)80年代至90年代中期，PLC得到了快速的發(fā)展，在這時(shí)期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進(jìn)入過(guò)程控制領(lǐng)域，在某些

2、應(yīng)用上取代了在過(guò)程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。PLC在工業(yè)自動(dòng)化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，是無(wú)法取代的。本文介紹了以鍋爐為被控對(duì)象，以鍋爐出口水溫為主被控參數(shù)，以爐膛內(nèi)水溫為副被控參數(shù)，以加熱爐電阻絲電壓為控制參數(shù)，以PLC為控制器，構(gòu)成鍋爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)；采用PID算法，運(yùn)用PLC梯形圖編程語(yǔ)言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)鍋爐溫度的自動(dòng)控制。電熱鍋爐的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，在相當(dāng)多的領(lǐng)域里，電熱鍋爐的性能優(yōu)劣決定了產(chǎn)品的質(zhì)量好壞。目前電熱鍋爐的控制系統(tǒng)大都采用以微處理器為核心的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，既提高設(shè)備的

3、自動(dòng)化程度又提高設(shè)備的控制精度。 本文分別就電熱鍋爐的控制系統(tǒng)工作原理，溫度變送器的選型、PLC配置、組態(tài)軟件程序設(shè)計(jì)等幾方面進(jìn)行闡述。通過(guò)改造電熱鍋爐的控制系統(tǒng)具有響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、可靠性高,控制精度好等特點(diǎn)，對(duì)工業(yè)控制有現(xiàn)實(shí)意義。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：電熱鍋爐的控制系統(tǒng) 溫度控制 串級(jí)控制 PLC PID AbstractAbstractFrom the last century to 90 in the mid 80s, PLC has been rapid development in this period, PLC capability in dealing with analog an

4、d digital computing power, man-machine interface capabilities and network capabilities are greatly improved, PLC gradually entering the field of process control, replaced in some applications in the field of process control dominant DCS.PLC has the versatility, ease of use, wide adaptation, high rel

5、iability and strong anti-interference, simple to program and so on.PLC control, especially in the industrial automation sequence control the position, in the foreseeable future, is no substitute. This paper introduces the boiler as the charged object to the boiler water temperature of the main accus

6、ed of the export parameters to furnace temperature as deputy accused of parameters to control the heating resistance wire voltage parameters to PLC, controller, constitutes a series of boiler temperaturelevel control system; using PID algorithm, the use of PLC ladder programming language, programmin

7、g, boiler temperature control. Electric boilers a wide range of applications, in a considerable number of field, the electric boiler performance advantages and disadvantages of the decision The quality of the product.Electric boiler control systems currently used mostly for computer control micropro

8、cessor core technology, both to improve the automation equipment have improved the control precision equipment. This paper on the heating boiler control system works, selection of temperature transmitter, PLC configurations, the configuration software design aspects were described.Through the transf

9、ormation of electric boiler control system has fast response, good stability, high reliability, control accuracy and good features, practical significance for industrial control. KeyKey wordswords: heating boiler control system temperature control cascade control PLC PI 目目 錄錄摘摘 要要.I IABSTRACTABSTRAC

10、T.IIII1.1 課題背景及研究目的和意義.- 1 -1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀.- 1 -1.3 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容.- 2 -第第二二章章 P PL LC C 和和組組態(tài)態(tài)軟軟件件基基礎(chǔ)礎(chǔ) .- - 4 4 - -2.1 可編程控制器基礎(chǔ) .- 4 -2.1.1 可編程控制器的產(chǎn)生和應(yīng)用.- 4 -2.1.2 可編程控制器的組成和工作原理.- 4 -2.1.3 可編程控制器的分類及特點(diǎn).- 6 -2.2 組態(tài)軟件的基礎(chǔ) .- 7 -2.2.1 組態(tài)的定義.- 7 -2.2.2 組態(tài)王軟件的特點(diǎn).- 7 -2.2.3 組態(tài)王軟件仿真的基本方法.- 8 -第第三三章章 P PL LC C 控控制制系系

11、統(tǒng)統(tǒng)的的硬硬件件設(shè)設(shè)計(jì)計(jì) .- - 9 9 - -3.1 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和步驟.- 9 -3.1.1 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則.- 9 -3.1.2 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟.- 9 -3.1.3 PLC 程序設(shè)計(jì)的一般步驟.- 10 -3.2 PLC 的選型和硬件配置.- 11 -3.2.1 PLC 型號(hào)的選擇.- 11 -3.2.2 S7-200 CPU 的選擇.- 11 -3.2.4 熱電式傳感器 .- 11 -3.2.5 可控硅加熱裝置簡(jiǎn)介 .- 12 -3.3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案和電氣連接圖.- 12 -3.4.1 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 .- 12 -3.

12、4.2 PID 控制及參數(shù)整定.- 13 -第四章第四章 PLCPLC 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) .- - 1616 - -4.1 PLC 程序設(shè)計(jì)的方法 .- 16 -4.2 編程軟件 STEP7-MICRO/WIN 概述 .- 16 -4.2.1 STEP7-Micro/WIN 簡(jiǎn)單介紹 .- 16 -4.2.2 計(jì)算機(jī)與 PLC 的通信 .- 17 -4.3 程序設(shè)計(jì) .- 18 -4.3.1 程序設(shè)計(jì)思路 .- 18 -4.3.2 PID 指令向?qū)?- 18 -4.3.3 控制程序及分析 .- 26 -第五章第五章 組態(tài)畫面的設(shè)計(jì)組態(tài)畫面的設(shè)計(jì).- - 3232 - -5.

13、1 組態(tài)變量的建立及設(shè)備連接 .- 32 -5.1.1 新建項(xiàng)目 .- 32 -5.2 創(chuàng)建組態(tài)畫面 .- 37 -5.2.1 新建主畫面 .- 37 -5.2.2 新建 PID 參數(shù)設(shè)定窗口 .- 38 -5.2.3 新建數(shù)據(jù)報(bào)表 .- 39 -5.2.4 新建實(shí)時(shí)曲線 .- 39 -5.2.5 新建歷史曲線 .- 40 -5.2.6 新建報(bào)警窗口 .- 41 -第六章第六章 系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試.- - 4343 - -6.1 啟動(dòng)組態(tài)王 .- 43 -6.2 實(shí)時(shí)曲線觀察.- 43 -6.3 分析歷史趨勢(shì)曲線.- 44 -6.4 查看數(shù)據(jù)報(bào)表.- 47 -6.5 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試.- 48 -

14、結(jié)束語(yǔ)結(jié)束語(yǔ).- - 1 1 - -參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).- - 5252 - -致致 謝謝.- - 5353 - -第一章第一章 緒論緒論1.11.1 課題背景及研究目的和意義課題背景及研究目的和意義電熱鍋爐的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，電熱鍋爐的性能優(yōu)劣決定了產(chǎn)品的質(zhì)量好壞。目前電熱鍋爐的控制系統(tǒng)大都采用以微處理器為核心的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，既提高設(shè)備的自動(dòng)化程度又提高設(shè)備的控制精度。PLC 的快速發(fā)展發(fā)生在上世紀(jì) 80 年代至 90 年代中期。在這時(shí)期，PLC 在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到了很大的提高和發(fā)展。PLC 具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編

15、程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。 PID 控制是迄今為止最通用的控制方法之一。因?yàn)槠淇煽啃愿摺⑺惴ê?jiǎn)單、魯棒性好，所以被廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制中,尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性系統(tǒng)。PID 控制的效果完全取決于其四個(gè)參數(shù),即采樣周期 ts、比例系數(shù) Kp、積分系數(shù) Ki、微分系數(shù) Kd。因而,PID 參數(shù)的整定與優(yōu)化一直是自動(dòng)控制領(lǐng)域研究的重要課題。PID 在工業(yè)過(guò)程控制中的應(yīng)用已有近百年的歷史，在此期間雖然有許多控制算法問(wèn)世,但由于 PID 算法以它自身的特點(diǎn)，再加上人們?cè)陂L(zhǎng)期使用中積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，使之在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用。在 PID 算法中，針對(duì) P、I、D 三個(gè)參數(shù)的整定和優(yōu)化的問(wèn)題成為關(guān)鍵問(wèn)題。1

16、.21.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀自 70 年代以來(lái)，由于工業(yè)過(guò)程控制的需要，特別是微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)外溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展迅速，并在智能化，自適應(yīng)、參數(shù)整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等國(guó)技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用。它們主要有以下特點(diǎn)：1適應(yīng)于大慣性、大滯后等復(fù)雜的溫度控制體統(tǒng)的控制。2適用于受控系統(tǒng)過(guò)程復(fù)雜、參數(shù)時(shí)變的溫度控制系統(tǒng)的控制。3這些溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應(yīng)控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理論及計(jì)算機(jī)技術(shù)，運(yùn)用先進(jìn)的算法，適應(yīng)范圍

17、廣泛。4溫度控制器普遍具有參數(shù)整定功能。借助于計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，溫度控制器具有對(duì)控制參數(shù)及特性進(jìn)行自整定的功能。有的還具有自學(xué)習(xí)功能。隨溫度控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然應(yīng)用很廣泛，但從國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來(lái)講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比仍然有著較大的差距。能適應(yīng)于較高的控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國(guó)內(nèi)還不十分成熟。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)溫度控制系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，因此，高精度、智能化、人性化的溫度控制系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)外必然發(fā)展的趨勢(shì)。1.31.3 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容以鍋爐為被控對(duì)象，以鍋爐出口水溫為主被控參數(shù)，以爐膛內(nèi)水溫為副被控參數(shù)，以加熱爐電阻

18、絲電壓為控制參數(shù)，以 PLC 為控制器，構(gòu)成鍋爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)；采用 PID 算法，運(yùn)用 PLC 梯形圖編程語(yǔ)言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)鍋爐溫度的自動(dòng)控制。可編程邏輯控制器（PLC)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動(dòng)控制裝置。其性能優(yōu)越，已被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，并已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱（PLC、工業(yè)機(jī)器人、CAD/CAM）之一。PLC 技術(shù)在溫度監(jiān)控系統(tǒng)上的應(yīng)用從整體上分析和研究了控制系統(tǒng)的硬件配置、電路圖的設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)，控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立、控制算法的選擇和參數(shù)的整定、人機(jī)界面的設(shè)計(jì)等。論文通過(guò)對(duì)德國(guó)西門子公司的 S7-200 系列 PLC 控制器，溫度傳感

19、器將檢測(cè)到的實(shí)際爐溫轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到 PLC 中進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)，PID 控制器輸出轉(zhuǎn)化為 0-10mA 的電流信號(hào)輸入控制可控硅電壓調(diào)整器或觸發(fā)板改變可控硅管導(dǎo)通角的大小來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率。對(duì)于監(jiān)控畫面，利用亞控公司的組態(tài)軟件“組態(tài)王“串級(jí)系統(tǒng)是由調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來(lái)工作，其中一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個(gè)調(diào)節(jié)器的給定值的系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測(cè)變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過(guò)程構(gòu)成；主回路由主變量檢測(cè)變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過(guò)程和主過(guò)程構(gòu)成。一次擾動(dòng)：作用在主被控過(guò)程上的，而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。二次擾動(dòng)：作用

20、在副被控過(guò)程上的，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入了一個(gè)副回路，不僅能及早克服進(jìn)入副回路的擾動(dòng)，而且又能改善過(guò)程特性。副調(diào)節(jié)器具有 “粗調(diào)”的作用，主調(diào)節(jié)器具有 “細(xì)調(diào)”的作用，從而使其控制品質(zhì)得到進(jìn)一步提高 。第二章第二章 PLCPLC 和組態(tài)軟件基礎(chǔ)和組態(tài)軟件基礎(chǔ)可編程控制器是是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱 PLC（Programmable logic Controller),它使用可編程序的記憶以存儲(chǔ)指令，用來(lái)執(zhí)行邏輯、順序、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、和演算等功能，并通過(guò)數(shù)字或模擬的輸入輸出，以控制各種機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。2.12.1 可編程控制器基礎(chǔ)可編程控制器基礎(chǔ)2.1.1 可編程控

21、制器的產(chǎn)生和應(yīng)用可編程控制器的產(chǎn)生和應(yīng)用1969 年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司成功研制世界第一臺(tái)可編程序控制器PDP-14，并在 GM 公司的汽車自動(dòng)裝配線上首次使用并獲得成功。 1971 年日本從美國(guó)引進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)，很快研制出第一臺(tái)可編程序控制器DSC-18。1973年西歐國(guó)家也研制出他們的第一臺(tái)可編程控制器。我國(guó)從1974 年開(kāi)始研制，1977 年開(kāi)始工業(yè)推廣應(yīng)用。進(jìn)入 20 世紀(jì) 70 年代，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是 PLC 采用通訊微處理器之后，這種控制器功能得到更進(jìn)一步增強(qiáng)。進(jìn)入 20 世紀(jì) 80 年代，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以 16 位和少數(shù) 32 位微處理器構(gòu)

22、成的微機(jī)化 PLC，使 PLC 的功能增強(qiáng)，工作速度快，體積減小，可靠性提高，成本下降，編程和故障檢測(cè)更為靈活，方便。目前， PLC 在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)。2.1.2 可編程控制器的組成和工作原理可編程控制器的組成和工作原理可編程控制器的組成 :PLC 包括 CPU 模塊、I/O 模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架。 1CPUCPU 是 PLC 的核心，它按 PLC 的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來(lái)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和 PLC 內(nèi)部

23、電路的工作狀態(tài)和編程過(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等。 CPU 主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成， CPU 單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是PLC 不可缺少的組成單元。 CPU速度和內(nèi)存容量是 PLC 的重要參數(shù)，它們決定著 PLC 的工作速度， IO 數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。2.I/O 模塊PLC 與電氣回路的接口，是通過(guò)輸入輸出部分（ I/O）完成的。 I/O模塊集成了 PLC 的 I/O 電路，其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入PLC 系統(tǒng)，輸出模塊相反。

24、 I/O 分為開(kāi)關(guān)量輸入（ DI） ，開(kāi)關(guān)量輸出（ DO） ，模擬量輸入（AI） ，模擬量輸出（ AO）等模塊。常用的 I/O 分類如下：開(kāi)關(guān)量：按電壓水平分，有 220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號(hào)類型分，有電流型（ 4-20mA,0-20mA） 、電壓型（ 0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。 除了上述通用 IO 外，還有特殊 IO 模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按 I/O 點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O 模塊可多可少，但其最大數(shù)受 CPU所能管理的基本配置的能力，即

25、受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。3.編程器編程器的作用是用來(lái)供用戶進(jìn)行程序的輸入、編輯、調(diào)試和監(jiān)視的。編程器一般分為簡(jiǎn)易型和智能型兩類。簡(jiǎn)易型只能聯(lián)機(jī)編程，且往往需要將梯形圖轉(zhuǎn)化為機(jī)器語(yǔ)言助記符后才能送入。而智能型編程器（又稱圖形編程器） ，不但可以連機(jī)編程，而且還可以脫機(jī)編程。操作方便且功能強(qiáng)大。4.電源PLC 電源用于為 PLC 各模塊的集成電路提供工作電源。同時(shí)，有的還為輸入電路提供 24V 的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（ 220VAC 或110VAC） ，直流電源（常用的為 24VDC） 。6可編程控制器的工作原理:PLC 的工作方式是一個(gè)不斷循環(huán)的順序掃描工作方式。每一次掃描所用

26、的時(shí)間稱為掃描周期或工作周期。 CPU 從第一條指令開(kāi)始，按順序逐條地執(zhí)行用戶程序直到用戶程序結(jié)束，然后返回第一條指令開(kāi)始新的一輪掃描。 PLC 就是這樣周而復(fù)始地重復(fù)上述循環(huán)掃描的。PLC 工作的全過(guò)程可用圖 2-1 所示的運(yùn)行框圖來(lái)表示。 圖 2-1 可編程控制器運(yùn)行框圖2.1.32.1.3 可編程控制器的分類及特點(diǎn)可編程控制器的分類及特點(diǎn)(一)小型 PLC小型 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)一般在128 點(diǎn)以下，其特點(diǎn)是體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，整個(gè)硬件融為一體，除了開(kāi)關(guān)量 I/O 以外，還可以連接模擬量 I/O 以及其他各種特殊功能模塊。它能執(zhí)行包括邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、算術(shù)、運(yùn)算數(shù)據(jù)處理和傳送通訊

27、聯(lián)網(wǎng)以及各種應(yīng)用指令。(二)中型 PLC中型 PLC 采用模塊化結(jié)構(gòu)，其 I/O 點(diǎn)數(shù)一般在2561024 點(diǎn)之間，I/O 的處理方式除了采用一般 PLC 通用的掃描處理方式外，還能采用直接處理方式即在掃描用戶程序的過(guò)程中直接讀輸入刷新輸出，它能聯(lián)接各種特殊功能模塊，通訊聯(lián)網(wǎng)功能更強(qiáng)，指令系統(tǒng)更豐富，內(nèi)存容量更大，掃描速度更快。(三)大型 PLC一般 I/O 點(diǎn)數(shù)在1024 點(diǎn)以上的稱為大型 PLC，大型 PLC 的軟硬件功能極強(qiáng)，具有極強(qiáng)的自診斷功能、通訊聯(lián)網(wǎng)功能強(qiáng)，有各種通訊聯(lián)網(wǎng)的模塊可以構(gòu)成三級(jí)通訊網(wǎng)實(shí)現(xiàn)工廠生產(chǎn)管理自動(dòng)化，大型 PLC 還可以采用冗余或三 CPU 構(gòu)成表決式系統(tǒng)使機(jī)器的

28、可靠性更高2.2組態(tài)軟件的基礎(chǔ)2.2.12.2.1 組態(tài)的定義組態(tài)的定義組態(tài)就是用應(yīng)用軟件中提供的工具、方法，完成工程中某一具體任務(wù)的過(guò)程。組態(tài)軟件是有專業(yè)性的，一種組態(tài)軟件只能適合某種領(lǐng)域的應(yīng)用。組態(tài)的概念最早出現(xiàn)在工業(yè)計(jì)算機(jī)控制中，如DCS(集散控制系統(tǒng) )組態(tài)，PLC 梯形圖組態(tài)。人機(jī)界面生成軟件就叫工控組態(tài)軟件。工業(yè)控制中形成的組態(tài)結(jié)果是用在實(shí)時(shí)監(jiān)控的。從表面上看，組態(tài)工具的運(yùn)行程序就是執(zhí)行自己特定的任務(wù)。 工控組態(tài)軟件也提供了編程手段，一般都是內(nèi)置編譯系統(tǒng)，提供類 BASIC 語(yǔ)言，有的支持 VB，現(xiàn)在有的組態(tài)軟件甚至支持 C#高級(jí)語(yǔ)言。在當(dāng)今工控領(lǐng)域，一些常用的大型組態(tài)軟件主要有：

29、ABB-OptiMax，WinCC，iFix，Intouch，組態(tài)王，力控，易控， MCGS 等。本設(shè)計(jì)采用亞控的組態(tài)王軟件進(jìn)行組態(tài)的設(shè)計(jì)。2.2.22.2.2 組態(tài)王軟件的特點(diǎn)組態(tài)王軟件的特點(diǎn) 組態(tài)王軟件具有適應(yīng)性強(qiáng)、開(kāi)放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。通常可以把這樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對(duì)下連接控制層，對(duì)上連接管理層，它不但實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，且在自動(dòng)控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開(kāi)發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問(wèn)題：畫面、數(shù)據(jù)、動(dòng)畫。通過(guò)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)要求及實(shí)現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。組態(tài)軟件也為試驗(yàn)者提供了可視化監(jiān)控畫面，有

30、利于試驗(yàn)者實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。而且，它能充分利用Windows 的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，并以動(dòng)畫方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報(bào)警窗口、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線等，可便利的生成各種報(bào)表。它還具有豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。2.2.32.2.3 組態(tài)王軟件仿真的基本方法組態(tài)王軟件仿真的基本方法(1)圖形界面的設(shè)計(jì) 圖形,是用抽象的圖形畫面來(lái)模擬實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和相應(yīng)的工控設(shè)備。(2) 構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù) 數(shù)據(jù),就是創(chuàng)建一個(gè)具體的數(shù)據(jù)庫(kù) ,并用此數(shù)據(jù)庫(kù)中的變量描述工控對(duì)象的各種屬性 ,比如水位、流量等。(3)建立動(dòng)畫連接第三章第三章 PLCPLC 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本章主要從

31、系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)的角度，介紹該項(xiàng)目的PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟、 PLC 的硬件配置、外部電路設(shè)計(jì)以及 PLC 控制器的設(shè)計(jì)參數(shù)的整定。3.13.1 PLCPLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和步驟控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和步驟 3.1.13.1.1 PLCPLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則1充分發(fā)揮 PLC 功能，最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求。2在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便。3保證控制系統(tǒng)安全可靠。4應(yīng)考慮生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)，在選擇 PLC 的型號(hào)、IO 點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)器容量等內(nèi)容時(shí)，應(yīng)留有適當(dāng)?shù)挠嗔浚岳谙到y(tǒng)的調(diào)整和擴(kuò)充。3.1.2

32、3.1.2 PLCPLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟 設(shè)計(jì) PLC 應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，首先是進(jìn)行 PLC 應(yīng)用系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，即根據(jù)被控對(duì)象的功能和工藝要求，明確系統(tǒng)必須要做的工作和因此必備的條件。然后是進(jìn)行 PLC 應(yīng)用系統(tǒng)的功能分析，即通過(guò)分析系統(tǒng)功能，提出 PLC 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，控制信號(hào)的種類、數(shù)量，系統(tǒng)的規(guī)模、布局。最后根據(jù)系統(tǒng)分析的結(jié)果，具體的確定 PLC 的機(jī)型和系統(tǒng)的具體配置。PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以按以下步驟進(jìn)行：1熟悉被控對(duì)象，制定控制方案 分析被控對(duì)象的工藝過(guò)程及工作特點(diǎn)，了解被控對(duì)象機(jī)、電、液之間的配合，確定被控對(duì)象對(duì) PLC 控制系統(tǒng)的控制要求。2確定

33、 IO 設(shè)備 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定用戶所需的輸入(如按鈕、行程開(kāi)關(guān)、選擇開(kāi)關(guān)等)和輸出設(shè)備(如接觸器、電磁閥、信號(hào)指示燈等)由此確定 PLC 的 IO 點(diǎn)數(shù)。3選擇 PLC 選擇時(shí)主要包括 PLC 機(jī)型、容量、IO 模塊、電源的選擇。4分配 PLC 的 IO 地址 根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)需要，確定控制按鈕，選擇開(kāi)關(guān)、接觸器、電磁閥、信號(hào)指示燈等各種輸入輸出設(shè)備的型號(hào)、規(guī)格、數(shù)量；根據(jù)所選的 PLC 的型號(hào)列出輸入輸出設(shè)備與 PLC 輸入輸出端子的對(duì)照表，以便繪制 PLC 外部 IO 接線圖和編制程序。5設(shè)計(jì)軟件及硬件進(jìn)行 PLC 程序設(shè)計(jì)，進(jìn)行控制柜（臺(tái)）等硬件的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工。由于程序與硬件設(shè)

34、計(jì)可同時(shí)進(jìn)行，因此，PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期可大大縮短，而對(duì)于繼電器系統(tǒng)必須先設(shè)計(jì)出全部的電氣控制線路后才能進(jìn)行施工設(shè)計(jì)。6聯(lián)機(jī)調(diào)試 聯(lián)機(jī)調(diào)試是指將模擬調(diào)試通過(guò)的程序進(jìn)行在線統(tǒng)調(diào)。3.1.33.1.3 PLCPLC 程序設(shè)計(jì)的一般步驟程序設(shè)計(jì)的一般步驟1繪制系統(tǒng)的功能圖。2設(shè)計(jì)梯形圖程序。3根據(jù)梯形圖編寫指令表程序。4對(duì)程序進(jìn)行模擬調(diào)試及修改，直到滿足控制要求為止。調(diào)試過(guò)程中，可采用分段調(diào)試的方法，并利用編程器的監(jiān)控功能。PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟可參考圖 3-1 ： 圖 3-1 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟3.23.2 PLCPLC 的選型和硬件配置的選型和硬件配置3.2.13.2.1 PL

35、CPLC 型號(hào)的選擇型號(hào)的選擇本溫度控制系統(tǒng)采用德國(guó)西門子 S7-200 PLC。S7-200 是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。S7-200 系列的強(qiáng)大功能使其無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此 S7-200 系列具有極高的性能/價(jià)格比。3.2.23.2.2 S7-200S7-200 CPUCPU 的選擇的選擇S7-200 系列的 PLC 有 CPU221、CPU222、CPU224、CPU226 等類型。此系統(tǒng)選用的 S7-200 CPU226,CPU 226 集成 24 輸入/16 輸出共 40 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)。

36、可連接 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 248 路數(shù)字量 I/O 點(diǎn)或 35 路模擬量 I/O 點(diǎn)。13K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6 個(gè)獨(dú)立的 30kHz 高速計(jì)數(shù)器，2 路獨(dú)立的 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。2 個(gè) RS485 通訊/編程口，具有 PPI通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O 端子排可很容易地整體拆卸。3.2.33.2.3 EM235EM235 模擬量輸入模擬量輸入/ /輸出模塊輸出模塊在溫度控制系統(tǒng)中，傳感器將檢測(cè)到的溫度轉(zhuǎn)換成4-20mA 的電流信號(hào)，系統(tǒng)需要配置模擬量的輸入模塊把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再送入 PLC 中進(jìn)行處理。在這里我們

37、選擇西門子的 EM235 模擬量輸入/輸出模塊。EM235 模塊具有4路模擬量輸入/一路模擬量的輸出。它允許 S7-200連接微小的模擬量信號(hào)，80mV 范圍。用戶必須用 DIP 開(kāi)關(guān)來(lái)選擇熱電偶的類型，斷線檢查，測(cè)量單位，冷端補(bǔ)償和開(kāi)路故障方向：SW1SW3用于選擇熱電偶的類型，SW4沒(méi)有使用，SW5用于選擇斷線檢測(cè)方向，SW6用于選擇是否進(jìn)行斷線檢測(cè)，SW7用于選擇測(cè)量方向，SW8用于選擇是否進(jìn)行冷端補(bǔ)償。所有連到模塊上的熱電偶必須是相同類型。3.2.43.2.4 熱電式傳感器熱電式傳感器熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)化為電量變化的裝置。在各種熱電式傳感器中，以將溫度量轉(zhuǎn)換為電勢(shì)和電阻的方

38、法最為普遍。其中最為常用于測(cè)量溫度的是熱電偶和熱電阻，熱電偶是將溫度轉(zhuǎn)化為電勢(shì)變化，而熱電阻是將溫度變化轉(zhuǎn)化為電阻的變化。這兩種熱電式傳感器目前在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)需要的傳感器是將溫度轉(zhuǎn)化為電流，且水溫最高是 100，所以選擇 Pt100 鉑熱電阻傳感器。P100 鉑熱電阻，簡(jiǎn)稱為：PT100 鉑電阻，其阻值會(huì)隨著溫度的變化而改變。PT 后的 100 即表示它在 0時(shí)阻值為 100 歐姆，在100時(shí)它的阻值約為 138.5 歐姆。它的工作原理：當(dāng) PT100 在 0 攝氏度的時(shí)候他的阻值為 100 歐姆，它的的阻值會(huì)隨著溫度上升它的阻值成勻速增長(zhǎng)。 3.2.53.2.5 可控硅加熱裝

39、置簡(jiǎn)介可控硅加熱裝置簡(jiǎn)介對(duì)于要求保持恒溫控制而不要溫度記錄的電阻爐采用帶 PID 調(diào)節(jié)的數(shù)字式溫度顯示調(diào)節(jié)儀顯示和調(diào)節(jié)溫度，輸出 010mA 作為直流信號(hào)輸入控制可控硅電壓調(diào)整器或觸發(fā)板改變可控硅管導(dǎo)通角的大小來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率，完全可以滿足要求，投入成本低，操作方便直觀并且容易維護(hù)。溫度測(cè)量與控制是熱電偶采集信號(hào)通過(guò) PID 溫度調(diào)節(jié)器測(cè)量和輸出 010mA 或 420mA 控制觸發(fā)板控制可控硅導(dǎo)通角的大小，從而控制主回路加熱元件電流大小，使電阻爐保持在設(shè)定的溫度工作狀態(tài)。可控硅溫度控制器由主回路和控制回路組成。主回路是由可控硅，過(guò)電流保護(hù)快速熔斷器、過(guò)電壓保護(hù) RC 和電阻爐的加熱元件等部分組

40、成。3.33.3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案和電氣連接圖系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案和電氣連接圖系統(tǒng)選用了 PLC CPU 226 為控制器，PT100 型熱電阻將檢測(cè)到的實(shí)際鍋爐水溫轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，經(jīng)過(guò) EM231 模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)化成數(shù)字量信號(hào)并送到PLC 中進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)，PID 控制器輸出轉(zhuǎn)化為 010mA 的電流信號(hào)輸入控制可控硅電壓調(diào)整器或觸發(fā)板改變可控硅管導(dǎo)通角的大小來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率，從而調(diào)節(jié)電熱絲的加熱。PLC 和組態(tài)王連接，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。3.43.4 PLCPLC 控制器的設(shè)計(jì)控制器的設(shè)計(jì)控制器的設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的一步。首先要根據(jù)受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型和它的各特性以及設(shè)計(jì)要求，

41、確定控制器的結(jié)構(gòu)以及和受控對(duì)象的連接方式。最后根據(jù)所要求的性能指標(biāo)確定控制器的參數(shù)值。3.4.13.4.1 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立在本控制系統(tǒng)中，TT1(出口溫度傳感器)將檢測(cè)到的出口水溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)送入 EM235 模塊的 A 路，TT2(爐膛溫度傳感器)將檢測(cè)到的出口水溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)送入 EM235 模塊的 B 路。兩路模擬信號(hào)經(jīng)過(guò) EM235轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送入 PLC，PLC 再通過(guò) PID 模塊進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)控制。具體流程在第四章程序編寫的時(shí)候具體論述。由 PLC 的串級(jí)控制系統(tǒng)框圖如圖 3-2： 圖 3-2 PLC 的串級(jí)控制系統(tǒng)框圖3.4.

42、23.4.2 PIDPID 控制及參數(shù)整定控制及參數(shù)整定1.PID 控制器的組成主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器可控硅爐膛鍋爐出口副變送器主變送器PID 控制器由比例單元（P） 、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 公式（3-dtde(t)Tde(t)dtTi1Kce(t)u(t)t01） (1) 比例系數(shù) KC對(duì)系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。c偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)。c太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。c太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。c可以選負(fù)數(shù)，這主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器以控制對(duì)象的特性決定的。如果c的符號(hào)選擇不當(dāng)對(duì)象狀態(tài) (pv值)就會(huì)離控制目

43、標(biāo)的狀態(tài) (sv 值)越來(lái)越遠(yuǎn)，如果出現(xiàn)這樣的情況c的符號(hào)就一定要取反。 (2) 積分控制i對(duì)系統(tǒng)性能的影響：積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，i小（積分作用強(qiáng)）會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。 (3) 微分控制d對(duì)系統(tǒng)性能的影響：微分作用可以改善動(dòng)態(tài)特性，d偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較短。d偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長(zhǎng)。只有d合適，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時(shí)間。 2.主、副回路控制規(guī)律的選擇 采用串級(jí)控制，所以有主副調(diào)節(jié)器之分。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動(dòng)控制作用，這是選擇規(guī)律的基本出發(fā)點(diǎn)。主參數(shù)是工藝操作的重要指標(biāo)，允許波動(dòng)的范圍較小，一般要求無(wú)余差，

44、因此，主調(diào)節(jié)器一般選 PI 或 PID 控制，副參數(shù)的設(shè)置是為了保證主參數(shù)的控制質(zhì)量，可允許在一定范圍內(nèi)變化，允許有余差，因此副調(diào)節(jié)器只要選P 控制規(guī)律就可以。在本控制系統(tǒng)中，我們將鍋爐出口水溫度作為主參數(shù)，爐膛溫度為副參數(shù)。主控制采用 PI 控制，副控制器采用 P 控制。3.主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定副調(diào)節(jié)器作用方式的確定： 首先確定調(diào)節(jié)閥，出于生產(chǎn)工藝安全考慮，可控硅輸出電壓應(yīng)選用氣開(kāi)式，這樣保證當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障使調(diào)節(jié)閥損壞而處于全關(guān)狀態(tài)，防止燃料進(jìn)入加熱爐，確保設(shè)備安全，調(diào)節(jié)閥的 Kv 0 。然后確定副被控過(guò)程的 K02，當(dāng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增大，電壓增大，爐膛水溫度上升，所以 K02 0

45、。最后確定副調(diào)節(jié)器，為保證副回路是負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)(即增益)乘積必須為負(fù)，所以副調(diào)節(jié)器 K 2 0。為保證主回路為負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)乘積必須為負(fù)，所以主調(diào)節(jié)器的放大系數(shù) K1 0，主調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式7。4.采樣周期的分析采樣周期 Ts 越小，采樣值就越能反應(yīng)溫度的變化情況。但是，Ts太小就會(huì)增加 CPU 的運(yùn)算工作量，相鄰的兩次采樣值幾乎沒(méi)什么變化，將是 PID 控制器輸出的微分部分接近于0，所以不應(yīng)使采樣時(shí)間太小。 ，確定采樣周期時(shí)，應(yīng)保證被控量迅速變化時(shí)，能用足夠多的采樣點(diǎn)，以保證不會(huì)因采樣點(diǎn)過(guò)稀而丟失被采集的模擬量中的重要信息。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是溫度控制系統(tǒng)，溫度具有延遲特

46、性的慣性環(huán)節(jié)，所以采樣時(shí)間不能太短，一般是15s20s，本系統(tǒng)采樣17s 經(jīng)過(guò)上述的分析，該溫度控制系統(tǒng)就已經(jīng)基本確定了，在系統(tǒng)投運(yùn)之前還要進(jìn)行控制器的參數(shù)整定。常用的整定方法可歸納為兩大類，即理論計(jì)算整定法和工程整定法。 理論計(jì)算整定法是在已知被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)選取的質(zhì)量指標(biāo)，經(jīng)過(guò)理論的計(jì)算（微分方程、根軌跡、頻率法等） ，求得最佳的整定參數(shù)。這類方法比較復(fù)雜，工作量大，而且用于分析法或?qū)嶒?yàn)測(cè)定法求得的對(duì)象數(shù)學(xué)模型只能近似的反映過(guò)程的動(dòng)態(tài)特征，整定的結(jié)果精度不是很高，因此未在工程上受到廣泛的應(yīng)用。 對(duì)于工程整定法，工程人員無(wú)需知道對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，無(wú)需具備理論計(jì)算所學(xué)的理論知識(shí)，

47、就可以在控制系統(tǒng)中直接進(jìn)行整定，因而簡(jiǎn)單、實(shí)用，在實(shí)際工程中被廣泛的應(yīng)用常用的工程整定法有經(jīng)驗(yàn)整定法、臨界比例度法、衰減曲線法、自整定法等。在這里，我們采用經(jīng)驗(yàn)整定法整定控制器的參數(shù)值。整定步驟為“先比例，再積分，最后微分” 。（1）整定比例控制 將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。（2）整定積分環(huán)節(jié) 若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。先將步驟（1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來(lái)的 5080，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。（3）整定

48、微分環(huán)節(jié)若經(jīng)過(guò)步驟（2） ，PI 控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)態(tài)過(guò)程不能令人滿意，則應(yīng)加入微分控制，構(gòu)成 PID 控制。先置微分時(shí)間 TD=0，逐漸加大 TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和 PID 控制參數(shù)第四章第四章 PLCPLC 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分本在硬件基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹本項(xiàng)目的軟件設(shè)計(jì)，主要包括軟件設(shè)計(jì)的基本步驟、方法、編程軟件 STEP7-Micro/WIN 的介紹以及本項(xiàng)目的程序設(shè)計(jì)。 4.14.1 PLCPLC 程序設(shè)計(jì)的方法程序設(shè)計(jì)的方法PLC 程序設(shè)計(jì)常用的方法：主要有經(jīng)

49、驗(yàn)設(shè)計(jì)法、繼電器控制電路轉(zhuǎn)換為梯形圖法、順序控制設(shè)計(jì)法、邏輯設(shè)計(jì)法等。1.經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法：經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法即在一些典型的控制電路程序的基礎(chǔ)上，根據(jù)被控制對(duì)象的具體要求，進(jìn)行選擇組合，并多次反復(fù)調(diào)試和修改梯形圖，有時(shí)需增加一些輔助觸點(diǎn)和中間編程環(huán)節(jié)，才能達(dá)到控制要求。這種方法沒(méi)有規(guī)律可遵循，設(shè)計(jì)所用的時(shí)間和設(shè)計(jì)質(zhì)量與設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)有很大的關(guān)系，故稱為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法。 2.繼電器控制電路轉(zhuǎn)換為梯形圖法：用 PLC 的外部硬件接線和梯形圖軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)繼電器控制系統(tǒng)的功能。3.順序控制設(shè)計(jì)法：根據(jù)功能流程圖，以步為核心，從起始步開(kāi)始一步一步地設(shè)計(jì)下去，直至完成。此法的關(guān)鍵是畫出功能流程圖。4. 邏輯設(shè)計(jì)法：通過(guò)中間量把

50、輸入和輸出聯(lián)系起來(lái)。實(shí)際上就找到輸出和輸入的關(guān)系，完成設(shè)計(jì)任務(wù)。 4.24.2 編程軟件編程軟件 STEP7-Micro/WINSTEP7-Micro/WIN 概述概述 STEP7-Micro/WIN 編程軟件是基于 Windows 的應(yīng)用軟件，由西門子公司專為 S7-200 系列可編程控制器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，它功能強(qiáng)大，主要為用戶開(kāi)發(fā)控制程序使用，同時(shí)也可以實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。4.2.14.2.1 STEP7-Micro/WINSTEP7-Micro/WIN 簡(jiǎn)單介紹簡(jiǎn)單介紹 以 STEP7-Micro/WIN 創(chuàng)建程序，為接通 STEP7-Micro/WIN，可雙擊STEP7 -Micro

51、/WIN 的圖標(biāo)，如圖 4-1 所示，STEP7-Micro/WIN 項(xiàng)目窗口將提供用于創(chuàng)建程序的工作空間。瀏覽條給出了多組按鈕，用于訪問(wèn) STEP7-Micro/WIN 的不同編程特性。指令樹(shù)將顯示用于創(chuàng)建控制程序的所有項(xiàng)目對(duì)象指令。程序編輯器包括程序邏輯和局部變量表，可在其中分配臨時(shí)局部變量的符號(hào)名。子程序和中斷程序在程序編輯器窗口的的底部按標(biāo)簽顯示。圖 4-1 STEP7-Micro/WIN 項(xiàng)目窗口本項(xiàng)目中我們利用 STEP7-Micro/WIN V4.0 SP5 編程軟件，其界面如圖 4-1 所示。項(xiàng)目包括的基本組件：程序塊、數(shù)據(jù)塊、系統(tǒng)塊、符號(hào)表、狀態(tài)表、交叉引用表。 4.2.24

52、.2.2 計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)與 PLCPLC 的通信的通信 在 STEP7-Micro/WIN 中雙擊指令樹(shù)中的“通信”圖標(biāo)，或執(zhí)行菜單命令的“查看”/“組件”/“通信” ，將出現(xiàn)“通信”對(duì)話框,見(jiàn)圖 4-2。在將新的設(shè)置下載到 S7-200 之前，應(yīng)設(shè)置遠(yuǎn)程站的地址，是它與 S7-200 的地址。雙擊“通信”對(duì)話框中“雙擊刷新”旁邊的藍(lán)色箭頭組成的圖標(biāo)，編程軟件將會(huì)自動(dòng)搜索連接在網(wǎng)絡(luò)上的 S7-200，并用圖標(biāo)顯示搜索到的 S7-200。圖4-2 PLC 通信窗口4.34.3 程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)4.3.14.3.1 程序設(shè)計(jì)思路程序設(shè)計(jì)思路PLC 運(yùn)行時(shí)，通過(guò)特殊繼電器 SM0.0 產(chǎn)生初始化脈沖

53、進(jìn)行初始化，將溫度設(shè)定值，PID 參數(shù)值等存入數(shù)據(jù)寄存器，隨后系統(tǒng)開(kāi)始溫度采樣，采樣周期是 17秒，TT1(出口水溫溫度傳感器)將采集到的出口水溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，電流信號(hào)在通過(guò) AIW0 進(jìn)入 PLC，作為主回路的反饋值，經(jīng)過(guò)主控制器（PID0）的 PI 運(yùn)算產(chǎn)生輸出信號(hào)，作為副回路的給定值。TT2(爐膛水溫傳感器)將采集到的爐膛水溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，電流信號(hào)在通過(guò) AIW2 進(jìn)入PLC，作為副回路的反饋值，經(jīng)過(guò)副控制器（PID1）的 P 運(yùn)算產(chǎn)生輸出的信號(hào),由 AQW0 輸出，輸出的 4-20mA 電流信號(hào)控制可控硅的導(dǎo)通角，從而控制電熱絲的電壓，完成對(duì)溫度的控制。4.3.24.3

54、.2 PIDPID 指令向?qū)е噶钕驅(qū)?編寫 PID 控制程序時(shí)，首先要把過(guò)程變量（PV）轉(zhuǎn)化為 0.00-1.00 之間的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)數(shù)。PID 運(yùn)算結(jié)束之后，需要把回路輸出（0.00-1.00 之間的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)）轉(zhuǎn)換為可以送給模擬量輸出模塊的整數(shù)。 圖4-3 PID 初始化指令 如圖 4-3,PV_I 是模擬量輸入模塊提供的反饋值的地址，Setpoint_R 是以百分比為單位的實(shí)數(shù)給定值（SP）,Output 是 PID 控制器的 INT 型的輸出地址。HighAlarm 和 LowAlarm 分別是超過(guò)上限和下限的報(bào)警信號(hào)輸出，ModuleErr 是模擬量模塊的故障輸出信號(hào)。主回路 PID 指令

55、向?qū)В鐖D 4-4圖4-4 主回路用0號(hào) PID 回路 設(shè)置 PID 參數(shù)，如圖 4-5：圖 4-5 設(shè)置 PID 參數(shù) 給定值的范圍是0.0-100.0，比例增益 Kc為-3.0，積分時(shí)間 Ti=7 min ，因?yàn)橹骺刂破鞑捎?PI 控制，所以微分時(shí)間 Td=0。 2.回路輸入量的極性與范圍，如圖 4-6： 圖 4-6 輸入輸出量的設(shè)置3.PID 指令的參數(shù)表占用的 V 存儲(chǔ)區(qū)的起始地址如圖 4-7：圖 4-7 地址設(shè)置4.向?qū)瓿桑鐖D 4-8圖 4-8 向?qū)瓿筛被芈?PID 指令向?qū)В焊被芈凡捎?號(hào) PID 回路，如圖 4-9：圖 4-9 副回路 PID 回路設(shè)置 1.新建 PID 配

56、置，如圖 4-10：圖 4-10 PID 配置新建2.設(shè)置 PID 參數(shù)，如圖 4-10圖 4-10 副回路 PID 設(shè)置因?yàn)楦被芈分饕鸬健按终{(diào)” 、 “快調(diào)”的作用，所以我們采用 P 調(diào)節(jié)作用，比例增益 Kc=-4.0，Ti無(wú)窮大，Td=0;3.副回路輸入量的極性與范圍，如圖 4-11如圖 4-11 副回路輸入輸出設(shè)置4.PID 指令的參數(shù)表占用的 V 存儲(chǔ)區(qū)的起始地址，如圖 4-12：圖 4-12 副回路存儲(chǔ)區(qū)設(shè)置5.向?qū)瓿桑鐖D 4-13圖 4-13 副回路向?qū)瓿?.3.34.3.3 控制程序及分析控制程序及分析 因?yàn)橛?AIW0 和 AIW2 輸入的是 6400-32000 的數(shù)

57、字量，所以要轉(zhuǎn)換為實(shí)際的溫度要進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算公式為： 公式（4-1）640032000100)6400(DT 其中，T 為實(shí)際溫度，D 為 AIWO 和 AIW2 輸入的數(shù)字量。 PLC 的內(nèi)存地址分配見(jiàn) 表 4-1表 4-1 PLC 的內(nèi)存地址分配地址說(shuō)明VD250鍋爐出口水溫度存放地址VD260爐膛水溫存放地址VD270主控制器 PID 輸出存放地址VD300目標(biāo)設(shè)定溫度存放地址VD304主控制器 Kc 存放地址VD308主控制器 Ti 存放地址VD312主控制器 Td 存放地址VD320副調(diào)節(jié)器 Kc 存放地址 PID 指令表見(jiàn)表 4-2： 表 4-2 PID 指令回路表地址名稱說(shuō)明VD

58、0主調(diào)節(jié)器過(guò)程變量（PVn）必須在 0.01.0 之間VD4主調(diào)節(jié)器給定值（SPn）必須在 0.01.0 之間VD8主調(diào)節(jié)器輸出值（Mn）必須在 0.01.0 之間VD12主調(diào)節(jié)器增益（Kc）比例常數(shù)，可正可負(fù)VD16主調(diào)節(jié)器采樣時(shí)間（Ts）單位為 s，必須是正數(shù)VD20主調(diào)節(jié)器積分時(shí)間（Ti）單位為 min，必須是正數(shù)VD24主調(diào)節(jié)器微分時(shí)間（Td）單位為 min，必須是正數(shù)VD120副調(diào)節(jié)器過(guò)程變量（PVn）必須在 0.01.0 之間VD124副調(diào)節(jié)器給定值（SPn）必須在 0.01.0 之間VD128副調(diào)節(jié)器輸出值（Mn）必須在 0.01.0 之間VD132副調(diào)節(jié)器增益（Kc）比例常數(shù)，

59、可正可負(fù)VD136副調(diào)節(jié)器采樣時(shí)間（Ts）單位為 s，必須是正數(shù)VD140副調(diào)節(jié)器積分時(shí)間（Ti）單位為 min，必須是正數(shù)VD144副調(diào)節(jié)器微分時(shí)間（Td）單位為 min，必須是正數(shù)控制程序如圖 4-14圖 4-15 所示 圖 4-14 控制程序 1主調(diào)節(jié)器程序：圖 4-15 控制程序 2圖 4-16 控制程序 3圖 4-17 控制程序 4副調(diào)節(jié)器程序： 圖 4-18 控制程序 5圖 4-19 控制程序 6第五章第五章 組態(tài)畫面的設(shè)計(jì)組態(tài)畫面的設(shè)計(jì)本章詳細(xì)的講解一個(gè)組態(tài)系統(tǒng)的建立和設(shè)計(jì)。5.15.1 組態(tài)變量的建立及設(shè)備連接組態(tài)變量的建立及設(shè)備連接5.1.15.1.1 新建項(xiàng)目新建項(xiàng)目 雙擊

60、組態(tài)王的快捷方式，出現(xiàn)組態(tài)王的工程管理器窗口，雙擊新建按扭，按照彈出的建立向?qū)В顚懝こ堂Q。然后打開(kāi)剛建立的工程。進(jìn)入組態(tài)畫面的設(shè)計(jì)，如圖 5-1：圖 5-1 新建工程1.新建畫面進(jìn)入工程管理器后，在畫面右方雙擊“先建” ，新建畫面，并設(shè)置畫面屬性，圖 5-2 所示：圖 5-2 畫面新建2.新建設(shè)備 因?yàn)榻M態(tài)畫面要與西門子 S7-200 PLC 連接之后才能使用，所以要新建 S7-200 的連接，具體步驟如圖 5-3：圖 5-3 步驟 1圖 5-4 步驟 2圖 5-5 步驟 3圖 5-6 步驟 4圖 5-7 新建變量 項(xiàng)目中所用到的變量見(jiàn)圖 5-8：圖 5-8 變量表5.25.2 創(chuàng)建組態(tài)畫